Study of the Josephson effect in graphene-based moiré superlattices

Díez Carlón, Andrés (2025): Study of the Josephson effect in graphene-based moiré superlattices. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Graphene-based moiré superlattices, and in particular magic‑angle twisted bilayer graphene (TBG), have emerged as a promising platform for studying unconventional superconductivity in electronic flat bands, where the interplay between strong correlations, nontrivial topology and quantum geometry plays a central role. The Josephson effect provides a powerful tool to probe the fundamental properties of superconducting states and how they interact with other correlated phases of matter. And yet, it has remained largely unexplored in these moiré systems. In this dissertation, we demonstrate various experimental efforts to address this gap by combining van der Waals stacking techniques with transparent superconducting contacts and low-temperature transport measurements. Our approach spans two device architectures: extrinsic Josephson junctions (JJs) incorporating external s-wave superconducting leads, and intrinsic gate-defined JJs realized within a single monolithic TBG device. We first investigate a graphene/hBN moiré superlattice in the ballistic regime, where Fabry-Pérot oscillations and high-field superconductivity reflect the underlying miniband structure. The core of this thesis work focuses on magic-angle TBG, whose flat bands are expected to suppress the proximity-induced superconductivity due to their vanishing Fermi velocity. Surprisingly, we observe a strong Josephson effect in both its flat and dispersive bands, along with a clear violation of the conventional scaling between critical current and normal-state conductance—pointing to unconventional mechanisms involving strong correlations, quantum geometry, and multiband pairing. Finally, by leveraging the intrinsic superconducting state of TBG, we realize gate-defined JJs that display a symmetry-broken Josephson effect and a programmable, zero-field Josephson diode. This research paves the way for future experimental and theoretical studies of the superconducting proximity effect in moiré materials and especially in flat band systems. Looking forward, coupling external superconductors to the intrinsic superconducting state of TBG will prove a key experiment in unraveling its pairing symmetry. Other graphene-based moiré superlattices not studied here, such as rhombohedral graphene aligned with hBN, will greatly benefit from the exploration of their topological phases with the Josephson effect, potentially leading to the creation of hybrid JJs for topological quantum technologies.

Abstract

Graphen-basierte Moiré-Übergitter, insbesondere im magischen Winkel verdrehtes Doppellagen Graphen (TBG), haben sich als vielversprechende Plattform zur Erforschung unkonventioneller Supraleitung in elektronischen Flachbändern erwiesen, in denen das Zusammenspiel von starken Korrelationen, nichttrivialer Topologie und quantengeometrischen Effekten eine zentrale Rolle spielt. Der Josephson-Effekt bietet ein vielseitiges Mittel, um die fundamentalen Eigenschaften supraleitender Zustände und deren Wechselwirkungen mit anderen korrelierten Phasen zu untersuchen. Dennoch blieb dessen Einwirkung auf Moiré-Systemen bislang weitgehend unerforscht. In dieser Dissertation schließen wir diese Lücke, indem wir Techniken zum Stapeln von Van-der-Waals-Kristallen mit transparenten supraleitenden Kontakten und Tieftemperatur-Transportmessungen kombinieren. Unser Ansatz umfasst zwei Nanoarchitekturen: extrinsische Josephson-Kontakte mit externen s-Wellen-Supraleitern sowie intrinsische, Gate-definierte Josephson-Kontakte, die innerhalb eines einzigen, monolithischen TBG-Kristalls realisiert werden. Zunächst untersuchen wir ein Graphen/hBN-Moiré-Pontetial im ballistischen Regime, in dem sich Fabry-Pérot-Oszillationen und Supraleitung bei hohen Magnetfeldern als direkte Signaturen der Minibandstruktur zeigen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf TBG im magischen Winkel, dessen flache Bänder aufgrund ihrer verschwindenden Fermi-Geschwindigkeit nur schwache, induzierte Supraleitung erwarten lassen. Entgegen dieser Erwartung beobachten wir einen starken Josephson-Effekt sowohl in den flachen als auch in den dispersiven Bändern, sowie eine deutliche Verletzung der konventionellen Skalierung zwischen kritischem Strom und Normalleitwert – ein Hinweis auf unkonventionelle Mechanismen, die durch starke Wechselwirkungen, Quantengeometrie und Mehrband-Paarung getragen werden. Schließlich realisieren wir durch Ausnutzung des intrinsischen supraleitenden Zustands von TBG Gate-definierte JJs mit symmetriegebrochenem Josephson-Effekt und einer programmierbaren Nullfeld-Josephson-Diode. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige experimentelle und theoretische Untersuchungen des supraleitenden Proximity-Effekts in Moiré-Materialien, insbesondere in Flachbandsystemen. In Zukunft könnte die Kopplung externer Supraleiter an den intrinsischen supraleitenden Zustand von TBG entscheidende Einblicke in die Symmetrie seines Ordnungsparameters ermöglichen. Andere hier noch nicht untersuchte graphen-basierte Moiré-Übergitter, wie beispielsweise rhomboedrisches Graphen mit paraleller hBN-Ausrichtung, werden von der Erforschung ihrer topologischen Phasen mit dem Josephson-Effekt erheblich profitieren und möglicherweise zur Entwicklung hybrider JJs für topologische Quantentechnologien führen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Moiré, graphene, superconductivity, Josephson effect, Josephson junctions, twisted bilayer graphene
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. August 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Efetov, Dmitri